หากปราศจากคาร์บอน สิ่งมีชีวิตอย่างที่เรารู้จักบนโลกก็จะไม่สามารถดำรงอยู่ได้ แต่คาร์บอนเองจะไม่มีอยู่ในปริมาณที่เพียงพอสำหรับชีวิตหากไม่ใช่เพราะโครงสร้างนิวเคลียร์ที่แปลกประหลาดซึ่งยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ ความลึกลับนี้ล้อมรอบสถานะที่น่าตื่นเต้นอย่างหนึ่งของนิวเคลียสคาร์บอน-12 ซึ่งเป็นการจัดเรียงตัวแบบพิเศษของโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งแบบจำลองพื้นฐานของเราบอกว่า
ไม่ควรมีด้วยซ้ำ
แต่มีอยู่ ขั้นตอนสำคัญในการสร้างคาร์บอนภายในส่วนลึกของดาวยักษ์แดง ธรรมชาติของสภาวะที่ตื่นเต้นนี้เป็นหนึ่งในคำถามที่มีการวิจัยอย่างเข้มข้นที่สุดในฟิสิกส์นิวเคลียร์บิกแบงมีธาตุเพียงสามชนิดเท่านั้นที่ถูกผลิตขึ้น ได้แก่ ไฮโดรเจนและฮีเลียมจำนวนมากและจำนวนมาก รวมทั้งลิเธียม
อีกเล็กน้อย ตั้งแต่ทศวรรษ 1950 เป็นต้นมา เราทราบกันดีว่าธาตุที่หนักกว่า เช่น คาร์บอน ออกซิเจน และซิลิกอน เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันในดาวฤกษ์ แต่เมื่อความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับกระบวนการฟิวชันเหล่านี้เริ่มมีวิวัฒนาการ นักวิทยาศาสตร์ก็ต้องการทราบสาเหตุ
และวิธีที่องค์ประกอบก่อตัวขึ้นในความอุดมสมบูรณ์ที่เราพบตอนนี้เราทราบแล้วว่าการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์เริ่มต้นด้วยนิวเคลียสของไฮโดรเจนสี่ตัว (โปรตอนสี่ตัว) รวมตัวกันเพื่อสร้างนิวเคลียสของฮีเลียม (โปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว) จากนั้นธาตุที่หนักกว่าจะถูกสร้างขึ้น
เมื่ออนุภาคแอลฟาหลอมรวมกันที่อุณหภูมิสูงในดาวฤกษ์มวลมาก ซึ่งนำไปสู่นิวเคลียส เช่น เบริลเลียม-8 คาร์บอน-12 และออกซิเจน-16 ซึ่งมีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นสองเท่า สามครั้ง และสี่เท่า อนุภาคแอลฟา อย่างไรก็ตามมีปัญหา ขั้นตอนแรกในปฏิกิริยาเหล่านี้เกี่ยวข้องกับอนุภาคแอลฟาสองตัว
ที่หลอมรวมกันเพื่อสร้างเบริลเลียม-8 แต่นิวเคลียสนี้มีอายุสั้นมาก โดยมีอายุเพียง 8 × 10 –17 ส. ดังนั้นมันจึงมักไม่วนเวียนนานพอที่อนุภาคแอลฟาตัวที่สามจะหลอมรวมกันเป็นคาร์บอน-12 อันที่จริง ความน่าจะเป็นของการก่อตัวของคาร์บอน-12 ควรมีน้อยและไม่สามารถอธิบายถึงความอุดมสมบูรณ์ที่สังเกตได้
เพื่อพยายาม
อธิบายความลึกลับนี้ ในปี 1953 นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษให้เหตุผลว่าเพราะเรามีอยู่จริงและคาร์บอนมีอยู่อย่างชัดแจ้ง ต้องมีบางสิ่งที่ทำให้การผลิตคาร์บอนในดาวดำเนินไปในอัตราที่เร็วกว่าที่ดูเหมือนจะเป็นไปได้เมื่อมองแวบแรก เพื่อทำความเข้าใจว่าสิ่งนั้นคืออะไร ให้ระลึกว่านิวเคลียส
ซึ่งเหมือนอะตอมมีชุดของระดับพลังงานที่แยกจากกัน ซึ่งประกอบด้วยสถานะพื้นและสถานะตื่นเต้นจำนวนมากทำนายการมีอยู่ของสถานะตื่นเต้นที่มีอายุสั้นมากในคาร์บอน-12 ซึ่งทำหน้าที่เป็นขั้นตอนกลางในการสังเคราะห์คาร์บอน “สถานะ Hoyle” ที่หายวับไปนี้ ซึ่งจะสลายตัวโดยการปล่อยรังสีแกมมา
เพื่อไปถึงสถานะพื้นดินที่เสถียรของคาร์บอน-12 จะทำหน้าที่เป็น “เสียงสะท้อน” ที่จะเร่งการผลิตคาร์บอน-12 ขึ้นเจ็ดลำดับความสำคัญ อย่างไรก็ตาม สำหรับการทำงานนี้ สถานะ Hoyle จะต้องมีคุณสมบัติบางอย่าง รวมถึงพลังงานกระตุ้นที่เฉพาะเจาะจง เพื่อทำความเข้าใจว่าทำไม
ให้จำไว้ว่า
นิวเคลียสบางตัวมีพลังงานยึดเหนี่ยวมากกว่านิวเคลียสอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คาร์บอน-12 มีพลังงานยึดเกาะมากกว่าอนุภาคแอลฟาและนิวเคลียสเบริลเลียม-8 ถึง 7.28 MeV ดังนั้นเมื่ออนุภาคแอลฟาและนิวเคลียสเบริลเลียม-8 ทั้งสองอยู่นิ่ง หลอมรวมกันกลายเป็นนิวเคลียสคาร์บอน-12
ที่มีพลังงานกระตุ้นเท่ากับ 7.28 MeV เนื่องจากพลังงานต้องได้รับการอนุรักษ์ไว้ อย่างไรก็ตาม ในดาวฤกษ์ นิวเคลียสไม่ได้อยู่นิ่ง แต่มีพลังงานความร้อนบางส่วน ซึ่งพวกมันจะนำมาด้วยเมื่อเกิดการหลอมรวมกัน ส่งผลให้มีพลังงานกระตุ้นสูงขึ้นเล็กน้อย Hoyle คำนวณว่าพลังงานกระตุ้น
ของสภาวะอายุสั้นนี้จะต้องเท่ากับ 7.68 MeV บวกหรือลบสองสามเปอร์เซ็นต์ สถานะ ควรมีการหมุนของนิวเคลียร์เป็นศูนย์และความเท่าเทียมกันในเชิงบวก ร่วมมือกับเพื่อนร่วมงานในการทดลองของเขา เพื่อค้นหาสถานะดังกล่าวร่วมกับทีมของเขา ซึ่งพวกเขาทำได้โดยการยิงเป้าหมายไนโตรเจน-14
ด้วยดิวเทอรอน (ซึ่งมีโปรตอนหนึ่งตัวและนิวตรอนหนึ่งตัว ). จากนั้นใช้สเปกโตรมิเตอร์แม่เหล็กวัดสเปกตรัมพลังงานของอนุภาคแอลฟาที่ผลิตร่วมกับคาร์บอน-12 ซึ่งใช้การอนุรักษ์พลังงานเผยให้เห็นสถานะของพลังงานกระตุ้นที่แม่นยำซึ่ง Hoyle แนะนำ ตอนนี้ปริศนาการผลิตคาร์บอนได้รับการแก้ไข
แล้วหรือยัง? ในทางใดทางหนึ่ง ใช่แล้ว ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์สามารถหาเหตุผลเข้าข้างตนเองได้ว่า ผ่านสถานะ Hoyle คาร์บอนสามารถก่อตัวได้เร็วพอที่จะเอาชนะความจริงที่ว่าเบริลเลียม-8 นั้นมีอายุสั้นมาก ส่งผลให้มีคาร์บอนมากมายที่เราเห็นรอบตัวเรา อย่างไรก็ตาม ปริศนาใหม่ก็ปรากฏขึ้นในทันที
ที่ผ่านไป 60 ปีก็ยังไม่ได้รับการแก้ไข พูดง่ายๆ ก็คือ ไม่สามารถอธิบายสถานะ ได้ด้วยแบบจำลองใดๆ ของนิวเคลียสอะตอมที่รู้จัก เมื่อพิจารณาว่าคาร์บอนมีความสำคัญต่อการก่อตัวของชีวิตเพียงใด สถานการณ์นี้ไม่น่าพอใจอย่างยิ่ง แม้ว่าจะไม่ต้องใช้ความพยายามก็ตาม แท้จริงแล้ว
การพยายามหาลักษณะที่แม่นยำของสถานะ ยังคงเป็นหนึ่งในความพยายามทางทฤษฎีและการทดลองที่เข้มข้นที่สุดในฟิสิกส์นิวเคลียร์ ไม่ใช่นิวเคลียสปกติของคุณ แล้วเรามีนิวเคลียสเป็นภาพอะไร? ความเข้าใจเกี่ยวกับนิวเคลียสของเราได้รับการสนับสนุนจาก “แบบจำลองเปลือกนิวเคลียร์”
ซึ่งพัฒนาขึ้นในปี พ.ศ. 2492 – สี่ปีก่อนการค้นพบสถานะฮอยล์ แบบจำลองซึ่งเป็นชัยชนะในความเข้าใจของเราเกี่ยวกับโครงสร้างนิวเคลียร์กล่าวว่าโปรตอนและนิวตรอนทำหน้าที่เหมือนอนุภาคอิสระที่เติมเต็มเปลือกในลักษณะเดียวกับที่อิเล็กตรอนทำในอะตอม ด้วยสถานะนิวเคลียร์อย่างง่ายที่สร้างขึ้นจากการกำหนดค่าของโปรตอนและนิวตรอนใน เปลือกหอยที่แตกต่างกัน โมเดลนี้ประสบความสำเร็จอย่างน่าทึ่ง
แนะนำ ufaslot888g
